第194章 关于伯努利原理的设想

    听得这金不全如此说，点了点头，李沐阳也终于是恍然了，明白这海船之所以能够在海面上顺利航行，并不是因为风对于船帆的推力，而是利用伯努利效应，这让他想起了以前看过的一篇科学杂志，里面有提到过。
    所谓伯努利效应，又称“边界层表面效应”，是李沐阳前世一名叫丹尼尔·伯努利发现的科学家发现的，也就是气流速度与周围自由气流成比例增加，从而导致压力的降低，而这可令气流速度更快。
    这种情况在船帆的背风面发生即空气流动速度加快并在帆的后面形成低压区域。
    因为空气与水一样，都是流动的.当风汇聚并且风被帆分开时，一些风附着在凸起面（背风面）并将帆扯起.为了其上“未附着”的空气穿过帆，帆必须向不受帆影响的气流外弯曲。
    但此类的自由气流往往保持其直线流动并妨碍航行，自由气流和弯曲的船帆合在一起形成了一个窄道，起初的气流必须从中经过.因为它不能自行压缩，所以空气必须加速以从该窄道挤过。
    这就是气流速度在帆的凸起面增加的原因，一旦发生这一情况，伯努力的理论就得以生效。
    窄道中增加的气流要快于周围的空气，并且在气流速度加快的区域压力将下降。
    这就产生了链式反应，随着新的气流接近最先着风之帆缘并分开，它更多地流向背风面——气流被吸引到低压区域并被高压区域所排斥。
    现在即使更大块的空气也必须更快地挤进凸起帆面和自由气流形成的窄道，这令空气压力更低。
    这一情况不断发展直至达到现有风力条件的最大速度，并且在背风面形成最大低压区域。
    需要注意的是，只有在气流达到曲面（弦深）的最深点后气流才增加。
    在达到这一点之前，空气不断汇聚和加速，超出这一点后，空气分开并减速，直到再次与周围空气速度相当。
    在其间，在帆的迎风面发生相反的情况，随着更多的空气流过背风面，迎风面上流过帆的凸起面和自由气流之间的扩展空间的空气将减少。
    由于这些气流四散流动，所以其流速下降到比周围空气还低的速度，这导致压力增加。
    在了解了这个原理后，才能在实际中借助这些力量来使船只移动，比如船帆。
    像是首先需要在风帆和风之间建立理想的关系，使风不但加速流动，而且可以沿着帆的凸起面流动。
    船帆和风之间的这一关系的一部分称作迎角，描绘与风平直的船帆，空气均匀分开到每一面上。
    船帆下垂而不是充满成弯曲形状，空气没有加速以在背风面形成低压区域，并且船只没有移动。
    但如果船帆与风向刚好成正确角度，则船帆会一下子充满风并产生空气动力。
    迎角的角度必须十分精确，如果该角度保持与风太近，则船帆的前部将“抢风”或摆动。
    如果其角度太宽，则沿着帆的曲面流动的气流将分开并且周围的空气重新聚合。
    这一分离产生了旋转空气的“停转区域”，导致风速下降、压力增加。
    因为船帆的曲率将始终导致帆的尾端与风向所成的角度大于与最先着风之帆缘所成角度，所以帆的后缘的空气不能沿着曲面流动并返回周围自由空气的方向。
    理想上讲，在气流到达帆的后缘前不应开始分离，但随着船帆的迎角加宽，分离点逐渐前移并将其后的一切保留在停转区域。
    所以这就需要船长的掌舵操控了，一般来说，只有经验极其丰富的老船长，才能完美的掌握这个角度，使海船更加顺风顺水的在海面上航行，而不出差错。
    这也正是老船长的宝贵之处，换做一般刚驾驭海船的愣头青，根本就搞不明白这一切，别说驾驭海船航行了，恐怕只能原地打圈圈，开都开不走。
    不过李沐阳想起这个自己以前看过的原理后，却是不禁心中一喜，因为这样一来，他或许可以想办法将这些角度用数学公式的方法算出来，而不用非要族人在日积月累驾驭海船的经验中去摸索，这样的培训他们的速度更快，没准要不了多少时间，就能培育出一批经验丰富的老船长啊。
    而除了迎角需要保持正确角度以使空气能够顺利通过外，关于风与帆关系的另一重要因素就是船帆必须具有正确的曲率，以保证空气始终附着在船尾。
    如果曲线太小，则气流将不弯曲，并且将不会产生导致速度增加的压挤效果。
    如果曲线太大，则气流不能被附着。
    因此，只有在曲率不太大并且迎角不太宽的情况下才能发生分离。
    而这个曲率同样是可以想办法以数学公式的方法给算出来的，所以李沐阳是越发欣喜起来，想到没准困扰自己部落这船长船员不足的问题，将有机会迎刃而解了啊。
    反正话不多说，就是这些气流在船帆上形成的压力，推动海船前进的，而不是大家想当然的以为是靠风的推力。
    如果更详细的形容的话就是，在海平面上，每平方米的气压是10吨，当船帆的背风面上的气流增强时，从上面就可以知晓气压将下降。
    假定每平方米将下降20千克，同样，迎风面上的气压将增加。
    假定每平方米增加10千克，并且即使背风压力是负向并且迎风压力是正向的，它们都作用于同一方向
    因此现在每平方米就约有共30千克的压力，如果将其乘以10平方米风帆大小，我们在该风帆上已产生了共300千克的合力。
    船帆上的每一点都作用了不同的压力，压力最强处位于弦深处，即船帆曲面最深处。
    这也是气流最快和压力下降最大的地方，随着气流向后移动并分离，力量也随之减弱。
    这些力量的方向也会更改，在船帆的每一点上，该力量与帆面保持垂直，船帆前部的力量最强处也在最前方向上。
    在船帆的中部，力量更改为侧方向，或倾斜方向。
    在船帆的后部，随着风速的下降力量也逐渐减弱，并导致向后方向或往后拉的方向。
    船帆各处上的压力都可以计算出来，以便确定其每一面上前部、后部和牵引部位的相对力量。
    因为向前的力量还是最强的，所以施加在船帆上的合力还稍偏向前的，但主要是侧方向。
    增加船帆作用以获得更多向前的驱动力还导致侧向力的更大的增加。
    因此，当风施加在侧面的力量达到最大时，船只想要前行就涉及到船帆与风的迎角，还涉及船只与水的阻力问题。
    合力的方向与帆弦近乎垂直，当帆弦与船只的中线平行时，主要力量几乎完全施加在侧面。
    但是，如果船帆成一点儿角度，以便船帆产生的力量稍微向前，则船只本身会立即前行。
    这事由于船的中线（即龙骨）作用于水的方式类似于船帆作用于风的方式。
    龙骨产生的力量与船帆倾斜力相反的力量，它使船完全保持船帆形成的力量的方向。
    并且尽管风帆合力始终作用于迎风的那面，但正确的迎角将使船只前行。
    船帆的角度距离船体中线越远，着力点施加于正面相对于施加于侧面的数量越多。
    将正向力量的稍微调整与水相对于空气的反向力量结合起来，我们将令船只迎风前行，因为现在水流的阻力最小。
    这和金不全说的大致类似，只不过，他只说了方法，而不知晓这其中的原理，但李沐阳穿越而来，恰好看过这伯努利原理，所以相当清楚这里面的门道，一点就透，真正的让他相当欣喜。
    因为经过前世系统的科学教育，李沐阳知晓，这些压力啊，压强啊，角度啊，曲率啊，包括海船的自重，海水的流速，风速这些，真的都是可以计算出来的，这样一来，就可以完美的利用伯努利原理来驾驭海船了，而不是单纯的依靠船长的经验。
    比如，他完全可以在每艘海船上培养出一个数学团来操控海船，这个数学团可以依据他前世的那些公式等等，计算出海船在什么样的海水流速风速下，船帆要升多高，曲率是多少，和风的夹角多少度才最合适，这样海船才可以在大海中获得最完美的速度，把风力完美的利用。
    包括逆风航行时也一样，也是根据伯努利原理，流体速度增加，压力就会减低。
    空气要绕过向外弯曲的帆面，必须加快速度，于是压力减小，产生吸力，把船帆扯向一边。
    船帆背风一面因压力降低而产生的吸力相当大，可比迎风一面把帆推动的力量大1倍。
    风在帆两侧产生的吸力和推力，使船侧向行驶
    之所以是侧向，是因为海船不能完全正面顶着风正面航行，一艘长12米的船可与风向成12－15度的夹角逆风行驶。
    如果要正面迎着风的方向前进，必须以“之”字形路线航行。
    逆风行驶时，船与风向的夹角越小，速度越慢。
    舵手若以角度较大的“之”字形路线航行，船速会加快，不过航程会更长。
    当船体斜向行驶时必须要保持帆面和风向完全平行，这样船才不会被风往后吹。
    这时空气要绕过向外弯曲的前帆面，必须加快速度，于是压力减小，后帆面的压力增大。
    所以产生了向前推动帆面的推力，这个推力可以分解为2个方向，一个平行于船体，一个把船体往前推。
    同样，这个角度这个力，也是可以想办法计算出来的，计算出海船到底要以多大的角度‘之’字形航行，才能速度最快，航程最短，这都是完美啊。
    一时间，李沐阳是颇为兴奋和狂喜的这样想着，已经在心里默默总结，到底要用那些公式，才能把伯努利原理完美的利用了，好教授给手下的族人，让他们学会用这些公式，去利用伯努利原理，明白怎样完美的驾驭一艘海船。
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